SUGANO, Shigeki

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Affiliation

Faculty of Science and Engineering, School of Creative Science and Engineering

Job title

Professor

Homepage URL

http://www.sugano.mech.waseda.ac.jp/index.html

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Concurrent Post 【 display / non-display 】

  • Affiliated organization   Global Education Center

  • Faculty of Science and Engineering   Graduate School of Creative Science and Engineering

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Research Institute 【 display / non-display 】

  • 2021
    -
    2022

    データ科学センター   兼任センター員

  • 2020
    -
    2022

    理工学術院総合研究所   兼任研究員

  • 1989
    -
    　

    人間総合研究センター   兼任研究員

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Education 【 display / non-display 】

  • 1983.04
    -
    1986.03

    Waseda University   Graduate School of Science and Engineering  

  • 1981.04
    -
    1983.03

    Waseda University   Graduate School of Science and Engineering  

  • 1977.04
    -
    1981.03

    Waseda University   School of Science and Engineering  

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Degree 【 display / non-display 】

  • 早稲田大学   工学博士

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Professional Memberships 【 display / non-display 】

  • 　
    　
    　

    IEEE Robotics & Automation Soceity

  • 　
    　
    　

    人体科学会

  • 　
    　
    　

    精密工学会

  • 　
    　
    　

    日本人間工学会

  • 　
    　
    　

    ヒューマンインタフェース学会

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Research Areas 【 display / non-display 】

  • Intelligent robotics

  • Mechanics and mechatronics

  • Robotics and intelligent system

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Research Interests 【 display / non-display 】

  • Intelligent Machine

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Papers 【 display / non-display 】

  • A situational understanding enhancer based on augmented visual prompts for teleoperation using a multi-monitor system

    Mitsuhiro Kamezaki, Junjie Yang, Ryuya Sato, Hiroyasu Iwata, Shigeki Sugano

    AUTOMATION IN CONSTRUCTION   131  2021.11

    DOI

  • EPM-MRE: Electropermanent Magnet-Magnetorheological Elastomer for Soft Actuation System and Its Application to Robotic Grasping

    Peizhi Zhang, Mitsuhiro Kamezaki, Zhuoyi He, Hiroyuki Sakamoto, Shigeki Sugano

    IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION LETTERS   6 ( 4 ) 8181 - 8188  2021.10

    　View Summary

    Conventional soft robotic grippers have been developed based on soft pneumatic actuators or using smart soft materials, but they need external pressure sources, are easily deteriorated or used in millimetric-scale, which leads to increase of the independency, instability, and vulnerability. In this study, we propose an EPM-MRE (Electropermanent Magnet-Magnetorheological elastomer) actuation system, which strengthens the independency and stability of soft actuation by non-contact magnetic force. We established its fundamental principle and investigated parameter design through developing a suction cup as a robotic gripper. We prototyped an EPM-MRE actuated suction cup based on magnetic-charge and tensile modeling as well as optimized the structure of EPM by introducing axisymmetric EPM with frustum pole and suction cup by introducing bi-silicone structure to uniformly activate MRE membrane. The activation of EPM by different current pulses and suction force affected by contact shapes and air gaps were tested. Evaluations showed that the suction cup could be activated with 10 ms and generate a maximum suction force of 9.2 N at a steady state with 0 J energy consumption. In conclusion, the EPM-MRE soft actuation system can be used as a robotic gripper.

    DOI

  • Tool-Use Model to Reproduce the Goal Situations Considering Relationship Among Tools, Objects, Actions and Effects Using Multimodal Deep Neural Networks

    Namiko Saito, Tetsuya Ogata, Hiroki Mori, Shingo Murata, Shigeki Sugano

    Frontiers in Robotics and AI   8  2021.09

    　View Summary

    We propose a tool-use model that enables a robot to act toward a provided goal. It is important to consider features of the four factors; tools, objects actions, and effects at the same time because they are related to each other and one factor can influence the others. The tool-use model is constructed with deep neural networks (DNNs) using multimodal sensorimotor data; image, force, and joint angle information. To allow the robot to learn tool-use, we collect training data by controlling the robot to perform various object operations using several tools with multiple actions that leads different effects. Then the tool-use model is thereby trained and learns sensorimotor coordination and acquires relationships among tools, objects, actions and effects in its latent space. We can give the robot a task goal by providing an image showing the target placement and orientation of the object. Using the goal image with the tool-use model, the robot detects the features of tools and objects, and determines how to act to reproduce the target effects automatically. Then the robot generates actions adjusting to the real time situations even though the tools and objects are unknown and more complicated than trained ones.

    DOI

  • Development of a Situational Awareness Estimation Model Considering Traffic Environment for Unscheduled Takeover Situations

    Hiroaki Hayashi, Naoki Oka, Mitsuhiro Kamezaki, Shigeki Sugano

    INTERNATIONAL JOURNAL OF INTELLIGENT TRANSPORTATION SYSTEMS RESEARCH   19 ( 1 ) 167 - 181  2021.04

    　View Summary

    In semi-autonomous vehicles (SAE level 3) that requires drivers to takeover (TO) the control in critical situations, a system needs to judge if the driver have enough situational awareness (SA) for manual driving. We previously developed a SA estimation system that only used driver's glance data. For deeper understanding of driver's SA, the system needs to evaluate the relevancy between driver's glance and surrounding vehicle and obstacles. In this study, we thus developed a new SA estimation model considering driving-relevant objects and investigated the relationship between parameters. We performed TO experiments in a driving simulator to observe driver's behavior in different position of surrounding vehicles and TO performance such as the smoothness of steering control. We adopted support vector machine to classify obtained dataset into safe and dangerous TO, and the result showed 83% accuracy in leave-one-out cross validation. We found that unscheduled TO led to maneuver error and glance behavior differed from individuals.

    DOI

  • Repeated exposure to tripping like perturbations elicits more precise control and lower toe clearance of the swinging foot during steady walking

    Tamon Miyake, Federica Aprigliano, Shigeki Sugano, Silvestro Micera, Vito Monaco

    Human Movement Science   76  2021.04

    　View Summary

    Controlling minimum toe clearance (MTC) is considered an important factor in preventing tripping. In the current study, we investigated modifications of neuro-muscular control underlying toe clearance during steady locomotion induced by repeated exposure to tripping-like perturbations of the right swing foot. Fourteen healthy young adults (mean age 26.4 ± 3.1 years) participated in the study. The experimental protocol consisted of three identical trials, each involving three phases: steady walking (baseline), perturbation, and steady walking (post-perturbation). During the perturbation, participants experienced 30 tripping-like perturbations at unexpected timing delivered by a custom-made mechatronic perturbation device. The temporal parameters (cadence and stance phase ), mean, and standard deviation of MTC were computed across approximately 90 strides collected during both baseline and post-perturbation phases, for all trials. The effects of trial (three levels), phase (two levels: baseline and post-perturbation) and foot (two levels: right and left) on the outcome variables were analyzed using a three-way repeated measures analysis of variance. The results revealed that exposure to repeated trip-like perturbations modified MTC toward more precise control and lower toe clearance of the swinging foot, which appeared to reflect both the expectation of potential forthcoming perturbations and a quicker compensatory response in cases of a lack of balance. Moreover, locomotion control enabled subjects to maintain symmetric rhythmic features during post-perturbation steady walking. Finally, the effects of exposure to perturbation quickly disappeared among consecutive trials. %

    DOI PubMed

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Misc 【 display / non-display 】

  • An Abnormal Sign Detection System using Multi-Modal Driver Monitoring and Voice Interaction

    林弘昭, 亀崎允啓, 岡直樹, 菅野重樹

    自動車技術会大会学術講演会講演予稿集(Web)   2021  2021

    J-GLOBAL

  • Proposal for a movable lumbar pad for backpack considering pelvic motion

    若生然太, 三宅太文, 菅野重樹

    人間生活工学   22 ( 1 )  2021

    J-GLOBAL

  • Preliminary Study on a Basic Framework to Diagnose Video Presentation Type Suitable for Individual Teleoperator

    板野峻也, 亀崎允啓, 宮田雅博, 菅野重樹

    日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会講演論文集(CD-ROM)   2020  2020

    J-GLOBAL

  • Proposal of a Proactive Operation Support System Based on Passability Index for Personal Mobility

    松繁怜, 亀崎允啓, 亀崎允啓, LAN Dongwon, 森大河, 瀬古俊一, 倉橋孝雄, 菅野重樹

    日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会講演論文集(CD-ROM)   2020  2020

    J-GLOBAL

  • A Proximal Navigation Framework based on Multiple Human Movement Prediction using Inducible Social Force Model

    金田太智, 亀崎允啓, 亀崎允啓, 円谷優佑, 平山三千昭, 菅野重樹

    日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会講演論文集(CD-ROM)   2020  2020

    J-GLOBAL

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Awards 【 display / non-display 】

  • 優秀講演賞

    2018.12   SICE System Integration Division  

  • Best Paper Award

    2018.09   Robot Society of Japan  

  • SI2017 優秀講演賞

    2017.12   計測自動制御学会  

    Winner： 菅野 重樹

  • 文部科学大臣表彰（科学技術賞・研究部門）

    2017.04   文部科学省  

    Winner： 菅野 重樹

  • 論文賞

    2016.09   計測自動制御学会  

    Winner： 菅野 重樹

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Research Projects 【 display / non-display 】

  • タスク環境に適応するための行為の能動的学習過程の構成論的解明

    特定領域研究

  • Research on the Following Motion Control Method for Human Symbiotic Robots

  • 神経系の働きを含めた模擬循環器系の構成論構築とその応用

    挑戦的萌芽研究

  • 人間共存型ロボットの能動的な働きかけによる人間協調技術の研究

    基盤研究(S)

  • 手・腕・胴・脚の協調動作のバイオメカニクスに関する研究

    重点領域研究

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Specific Research 【 display / non-display 】

  • 人の血液循環器系を模倣した機械システムの自己修復メカニズムに関する研究

    2017   長濱峻介

    　View Summary

    　本研究は，人工循環器システムを用いて材料の修復および機能維持を行うことが目的である．人間の血液循環系は，物質を細胞に供給することにより細胞を維持し体内のホメオスタシスを実現している．この仕組みを機械システムに導入する．　本年度は，循環系を用いた材料修復技術構築のために，材料と構造の研究を行った．材料の研究では，トリプルネットワークゲルの合成手法を提案し，構造を維持したまま導電性などの機能を高強度のゲルに付与する手法を構築した．構造の研究では，微小突起構造などの構造を，MEMS技術を用いて構築する技術を開発した．また循環系と組み合わせることで材料の摩耗を抑え，摺動部の潤滑が可能な機構の開発も行った．

  • 人の血液循環器系を模倣した機械システムの自己修復メカニズムに関する研究

    2016  

    　View Summary

    　In order to realize our proposal, it is necessary to develop (1) a mechanism of robots which has flow path to deliver repairing agent, and(2) a material adsorbing to the damaged area and repairing the area. In this year, we developed a robot which has an artificial circulatory system, a self-repairable high strength triple-network gel and a gel capable of controlling adsorption by temperature.　As for robot development, by covering the skeleton of the robot with artificial skin and integrating an artificial circulatory system inside robot, it became possible to transport the liquid to everywhere inside the robot. As a result, it was possible to supply the repairing agent to many damaged area.　As for self-repairing gels, we developed a Triple Network (TN) gel. The developed gel has high tensile strength property, and self-repairing ability by contacting the fracture surface at room temperature. However, the timing of adsorption could not be controlled with the above gel, a gel capable of controlling adsorption according to temperature change was developed. A polymer of a self-repairing gel was replaced with a thermo-responsive polymer (LCST type), and it was possible to control binding by temperature change when the fracture surface each other were in contact.

  • 情動・神経の働きを含んだ模擬循環器系に関する構成論の解明

    2012  

    　View Summary

    　本研究の目的は，生物の循環器系システム及び循環器系を制御している情動システムや神経回路網の働きを工学的に模擬することにより，生物に近い循環器系システムを生物の血液循環器系を模擬したシステムを構築し，これを機械をはじめとした様々なシステムに応用することにある．　神経系とホルモン系をシステムに組み込むと極めて煩雑なシステムになってしまうため，本年度はまず人工血液(片栗粉と水とエタノールの混合液)とポンプ，エタノール燃料電池，フィルター，チューブを用いた単純なシステムを構築した．1)断裂したチューブの修復，2)温度調整(水冷)，3)フィルターを用いた混合液からのエタノール分離による燃料電池へのエネルギー供給の３つの機能を有する血液循環器系システムを構築し，その有効性を確かめた．システム構築の過程で周期的なパルスで混合液を送液するポンプ(拍動流ポンプ)と一定量の混合液を送液するポンプ(無拍動流ポンプ)の凝固作用の差異を確かめることを目的としたチューブの破壊・修復実験を行い，拍動流ポンプを用いると人工血液の凝固が促進されることを確認した．また拍動流はフィルターの目詰まり防止にも有効に働き，無拍動流ポンプでは数分でフィルターの目詰まりが生じてしまいエタノールの抽出が不可能になったが，拍動流ポンプでは長時間安定してエタノールの抽出が可能であった．　拍動流が液体の凝固を促進することは確かめられた事例はなく，また本研究の結果を医学的観点から見ると血液の凝固と拍動が関係していると考察されるため，このシステムが医療分野の研究にも有用であることが示唆される．また，このシステムの３つの機能は，システムの恒常性を保つために必要な機能であり，これらの機能を流体と拍動流ポンプのみを用いて実現できた工業的な意義は大きい．　今後は本年度製作したシステムに，神経系や情動系を模倣したシステムを組み込むことにより，より医学的に意義のあるシステムや工業的に有用なシステムを構築し，新たな知見や工業的なアプリケーションを開発していく．

  • 複数の人間と共に移動可能なヒューマノイドロボットの安全モビリティに関する研究

    2011  

    　View Summary

    人間共存ロボットの導入における課題の一つとして，人との接触が避け難い狭小空間でも安全を確保した上で効率的に目的地へ到達する安全安心移動技術がある．これまで安全性の観点から接触に対する追従制御は実現されているが，それに伴う移動の変化による効率については考慮されておらず，トレードオフ関係を形成する人・ロボット双方の移動効率を満足する技術が必要である．そこで本研究では，接触力に基づく軌道予測を行い，双方の移動効率を満足しつつ安全性と両立させる接触運動制御手法の開発を目的とした．上述の制御則構築のため，本研究ではまず移動効率を接触前後の移動速度ベクトルの変化と定義した．接触移動中は両者の目標移動効率を実現しうる目標接触力と全身の運動目標を決定するため，腕部による接触力は両者を結ぶ線分方向，移動部による加速度は接触力と直交する方向に限定し，人が接触力に倣うことを前提に相対座標系を用いて軌道予測を行う．実際に算出した目標接触力を維持するように腕部で力制御を行い，移動部は相対的な軌道目標に追従させる．しかし，人が非常に大きな接触力を与える場合においては移動部が予想と異なる軌道を描くため，ロボットの移動効率は著しく低下する．そこで目標接触力を増大させ移動効率を満たすよう軌道を修正する．人からの接触力が小さい場合には同様に人の移動効率が低下してしまうため目標接触力を減少させる．なお，接触力が安全性の目標である痛覚耐性値を超える場合には目標移動効率を修正した上で再び予測を行う．これにより，接触中の力変化に応じて適応的に目標接触力と軌道が変化し，結果として安全性を確保しつつ，互いの移動効率を満たすことができる．有効性検証のため二次元空間でのシミュレーション実験，接触移動用プロトタイプロボットとマネキンを用いた評価実験を行った．両実験において力変化に安全に対応しつつ目標移動効率が高められることを確認した．

  • 安全な人間追従を可能にする人間共存ロボットの表面カバーに関する研究

    2006  

    　View Summary

    　人間と共存するロボットは，人間と直接的に触れ合っても安全である機能が要求される．本研究では，この機能実現のために，以下の3課題の研究を進めた．(1) 基礎評価用表面カバーの開発(2) 人間による接触認知の実験(3) 実験・計測用マニピュレータの設計・試作　人間とロボットとが接触しても安全であるためには，まず人間同士が共同作業をする際に生じるさまざまな触れ合い状態を，コンテキストとして分析し，力学的な解析と組み合わせることで，触れ手側と受け手側とのデータの特徴として表現することを試みた．この実験のために，分布型触覚センサと６軸力センサを用いて評価用表面カバーを試作し，これを人間の前腕部に装着して共同作業中の触れ合い状態を計測した．また，作業のシナリオ／コンテキストに基づき，接触が生じる場面，時間的推移，接触の程度の関連性を検討し，接触情報の認知と接触制御手法について考察した．　さらにこのデータを基に，ロボットの接触検出用表面カバーとしての仕様を検討し，合わせて，安全なロボットマニピュレータシステムを構築するために，これまでに本研究で提案しその有効性を実証してきた関節メカニズム（MIA: Mechanical Impedance Adjuster）をベースとして，この関節機能と表面カバーの機能とをうまく両立させたシステムの構築を検討した．　以上より，触れた際にそこに込められた意味，例えば，気付かせる，注意する，促すなどを接触情報から区分けする方法を見出し，逆にその接触情報を人間に与えられれば，同様の情報伝達が可能であることを確認した．これらの知見を，ロボットマニピュレータ全体の制御にインプリメントし，人間とロボットとの相互の触れ合い情報伝達の基礎実験の準備を行った．

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Syllabus 【 display / non-display 】

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